第二章 精细有机合成的理论基础

第二章一、键的断裂（可分为均裂和异裂两种）均裂：通过加热、光照及过氧化剂引发异裂：通过烷基化、极性试剂参与反应二、键的形成两游离基结合成键两带相反电荷质点结合成键一个离子和一个中性分子成键有机反应的基本过程CompanyLogo三、断键与成键同步发生

断裂一个单键形成一个单键（如取代反应）一个双键转换成单键（或三键转换成双键），同时形成单键（如加成、闭环等）四、分子内重排基团带着一对电子迁徙（如形成带电子基团）基团带着原键中一个电子迁移（如形成自由基团）基团迁移时不带原键中电子（如碳骨架重排）五、电子传递通过有机、无机介质进行有机氧化还原反应。CompanyLogo取代2重排4加成31消除33亲核2环化5亲电31自由基33反应分类反应方式反应本质2.1反应分类CompanyLogo反应种类亲电取代亲电加成亲核加成亲核取代自由基取代自由基加成环加成α-消除β-消除CompanyLogo反应根据进攻试剂的种类而分类CompanyLogo试剂种类有未成对单电子的自由基或在一定条件下可产生自由基的化合物自由基试剂能供给或接受电子形成新的共价键的试剂极性试剂（亲电）（亲核）CompanyLogo从底物上取走电子形成新的共价键的试剂特性：低电子云密度、亲电性正离子、能够获得一对电子的分子、缺电子分子亲电试剂提供电子给底物形成新的共价键的试剂特性：高电子云密度、亲核性负离子、能够给出一对电子的分子、富电子分子亲核试剂CompanyLogo亲电反应亲核反应由亲电试剂引起的反应由亲核试剂引起的反应极性反应自由基反应由自由基试剂引起的反应CompanyLogo2.2亲电取代反应R=Alk;Ar芳香环有高的电子云密度和高稳定性亲电取代反应是芳香环的特征反应CompanyLogo3.芳香族亲电取代反应的定位效应①影响定位的因素先在基团的性质极性效应空间阻碍效应基团综合效应亲电试剂的性质极性效应空间阻碍效应反应条件温度溶剂催化剂CompanyLogo请仔细注意

-X(-F,-Cl,-Br,-I)第一类定位基（o,p-定位基）-O-,-N(CH3)3,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3,-F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,CH2COOH,-CH2F,etc.第二类定位基（m-定位基）-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO,-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3,etc.②两类定位基CompanyLogo③苯环的定位效应先在基团的极性效应CompanyLogo亲电试剂的极性效应亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。CompanyLogo亲电试剂的空阻效应请见上一页表的最后一项，甲苯的烷基化，随着进攻试剂体积的增大，邻位产物的比例降低，最后为0.反应条件的影响反应温度催化剂介质可逆，异构体比例极性，空阻，介质酸碱性CompanyLogo反应温度

混酸硝化0℃5％94％1％40℃7％91％2％90℃13％85％2％通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增高，选择性下降。CompanyLogo使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反应，从而影响产物异构体的比例。实例1：CompanyLogo改变E+的极性效应或空间效应。混酸硝化＋36％混酸硝化＋磷酸40％磺化磺化HgSO4催化改变反应历程。催化剂

CompanyLogo介质硝化反应介质++乙酸酐约92％少量约8％硫酸约30％少量约70％CompanyLogo二个先在基团的定位效应NO2+NO2+NO2+NO2+效应一致效应不一致同类定位基不同类定位基CompanyLogo④萘的定位效应无先在基进攻α-位进攻β-位CompanyLogo先在基团的影响迫位Peri-position第一类定位基第二类定位基CompanyLogo⑤蒽环定位效应优先进攻α-位二个互相独立的环几乎没有影响，定位效应与萘环类似。CompanyLogo排列下列物质亚甲基碳上氢的酸性强弱a.H-CH2-CHOb.CN-CH2-CHOc.NO2-CH2-CHOd.Cl-CH2-CHO练习CompanyLogo作业1、-OH为第（）类定位基，在芳烃亲电取代反应中为致（）基团。2、-NO2为第（）类定位基，在芳烃亲核取代反应中为致（）基团。3、对二甲苯上第二个甲基被氧化成羧基比第一个甲基氧化（）。4、排列下列试剂的酰化能力ClCOClb.RCONH2c.RCOORd.RCOCl5、X是吸电子基，为什么是第一类定位基？CompanyLogo2.3亲核取代反应R=Alk;Arhaloalkane连接杂原子的碳具有较低的电子云密度。亲核取代反应是连有杂原子饱和脂肪族化合物的典型反应。CompanyLogo可能的历程1.脂肪族亲核取代反应历程CompanyLogo①双分子历程(SN2)

一步二级反应;进攻背面;walden翻转;ν=k[RCH2-X][Nu-]ν=k[RCH2-X]反应速率与反应底物和进攻试剂浓度有关假一级反应SN2CompanyLogo②单分子历程(SN1)

碳正离子ν=k[R3C-X]内消旋;一级反应反应速率只与底物浓度有关。重排SN1SN1CompanyLogo2.影响反应的因素底物结构离去基亲核试剂反应介质有利于C+，有利于SN1不利于C+，有利于SN2

总而言之:CompanyLogo①底物结构的影响CH3-XRCH2-XR2CH-XR3C-XSN2SN1推电子基有利于形成C+，有利于SN1反应；吸电子基不利于形成C+，有利于SN2反应.SN1SN2吸电子基不利于C+稳定，同时使电子云密度降低。CompanyLogo图卤代烷烷基对水解速度的影响CompanyLogo②离去基的影响离去基的离去难易对SN1和SN2都有影响。部分离去基的离去难易顺序:RSO3--I-Cl-BrRCOO--OH-NH2>>>>>>CompanyLogo③

亲核试剂的影响只对SN2反应有影响.亲核性：碱性大小比较例C2H5O-

OH-PhO-CH3CH2S-H2O例F-Cl-Br-I-andPhS-PhO->>>><><<CompanyLogo④

溶剂的影响（书中不严密）CompanyLogo形成新的C-O键形成新的C-S键形成新的C-C键形成新的C-N键R-X：烷基化试剂脂肪族亲和取代反应CompanyLogo3.芳香环上H的亲核取代氧化剂可加快反应反应太难CompanyLogo4.芳环上取代基的亲核取代芳环上的亲电取代可引入:-SO3H,-NO2,-NO,-X,-R,-COR,-CH2COOH,-NHNH2芳环上的亲核取代可引入:-OH,-OR,-OAr,-NH2,-NHR,-NRR',-NHAr,-CN,-SH①重要性CompanyLogo双分子历程底物：芳香性、稳定；试剂：亲核性、正离子；中间体：σ-络合物、碳正离子；产物：芳香性、稳定反应速率与二种反应物浓度有关双分子二步反应第一步为决速步②反应历程ArSN2CompanyLogo单分子历程反应速率只与重氮盐浓度有关。CompanyLogo反应底物活性差，反应试剂活性强证据:同位素效应苯炔历程(消除-加成机理)CompanyLogo离去基团共轭位有供电子取代基，对反应不利。芳环上同时有多个离去基团（-Cl，-SO3H,-NO2，-CN，-N=N-等)同时存在时，Cl优先被置换。

CompanyLogo③其它基团的影响CompanyLogo注意：吸电子基有利于反应重氮基易于分解.-CN易于水解-X是最好的离去基团CompanyLogo更稳定反应更容易④离去基团的影响CompanyLogoβ-消除α-消除其它消除环合

1,1-消除1,2-消除2.4消除反应一个分子同时失去二个原子或基团形成新化合物的反应。CompanyLogo1.β-消除可能的路径E2E1炔碳杂双键E1cbCompanyLogoB:-碱性强.ν=k[B-][RX]反位消除一步①双分子消除

(E2)E2CompanyLogo重排碳正离子ν=k[R3C-X]②单分子历程

(E1)E1CompanyLogo反位消除CompanyLogoSaytzeff规则Hofmann规则形成共轭体系NR3不是好的离去基.③β-消除取向CompanyLogoE1SN1E2SN22影响因素E1和E2比较底物结构反应条件E和SN比较CompanyLogo底物结构离去基团空间位阻效应电子效应CompanyLogo①底物结构空间位阻效应CH3-XRCH2-XR2CH-XR3C-XSN2SN1E1E2ESN双分子单分子β-C上连有吸电子基有利于E2反应。同前述.空间位阻

空间拥挤电子效应离去基团CompanyLogo反应条件碱溶剂温度CompanyLogo②反应条件碱强碱E2cat.:CH3COONaNaOH双分子强极性单分子弱极性双分子E2高温E溶剂温度CompanyLogo3.α-消除CompanyLogo2.5自由基反应自由基反应链反应链反应自由基反应?形成自由基的方法:

热光

电子转移CompanyLogo底物(重键)2.6加成反应反应亲电亲核自由基CompanyLogo1.亲电加成①机理碳正离子反式加成CompanyLogo底物上的其它基团催化剂亲电试剂Cl2>Br2>I2③转换亲电自由基②影响因素CompanyLogo④重要的亲电加成反应CompanyLogo聚合

酸催化缩合CompanyLogo碱催化缩合CompanyLogo2.亲核加成

亲核试剂①碳负离子②具有孤电子对的分子或离子③氢负离子.H2O、ROH、H2S、SO3H-、NH2OH、C6H5NHNH2

等.LiAlH4、NaBH43.自由基加成CompanyLogoElectrophilicreagent：reagentthattakeelectronfromsubstratetoformanewcovalentbond.Nucleophilicreagent：reagentthatgiveelectrontosubstratetoformanewcovalentbond.PolarreactionElectrophilicreactionThereactionthatbroughtbyelectrophilicreagentThereactionthatbroughtbynucleophilicreagentNucleophilicreactionBriefsummaryCompanyLogoMechanismofaromaticselectrophilicsubstitutionThekineticisotopeeffectOrientationeffectofaromaticelectrophilicreaction②

Factorsofeffectonorientation①

Twodifferentorientationgrouporiginalgroup、electrophilicreagent、conditionPolarityeffect,Sterichindranceeffect.CompanyLogoMechanismofSN2MechanismofSN1CompanyLogoFactorsofeffectontheSNreactionMakethebestuseC+MakethebestuseSN1MaketheworstuseC+MakethebestuseSN2SN1SN2Attractinggroupmakec+unstableAndmakeelectronclouddensitylow.substratestructureCompanyLogoEffectofleavinggroupEffectofnucleophilicreagentEffectofsolventCompanyLogoMechanismofaromaticsnucleophilicsubstitutionTheeffectofothergroupsonthereactionCompanyLogomorestablemoreeasier

Trans-eliminationCompanyLogoCH3-XRCH2-XR2CH-XR3C-XESNBimolecule,

Sterichindranceunimolecule,

StericcrowdingCompetitionofSNandEMechanism

electrophilic

additionreactionThegroupthatlinkedonthesubstrateCompanyLogoMechanism

nucleophilic

additionreac